I-Love-Q: una relazione tra stelle di neutroni e stelle di quark

La nebulosa HEIC 0609a, i resti di Cas A. (Crediti: NASA/ESA/Hubble Heritage STScI).

Qual è il rapporto tra stelle di neutroni e stelle di quark? Come rispondere alla domanda senza condurre una dettagliata analisi, ad oggi impossibile, della loro struttura interna? Ci hanno pensato i ricercatori della Montana State University con un articolo, comparso a luglio 2013 su Science, che si intitola “I-Love-Q: Unexpected Universal Relations for Neutron Stars and Quark Stars” (DOI: 10.1126/science.1236462). Riporto qui quanto avevo scritto su cyberscienza.it (articolo non più disponibile on line). 

Questo studio teorico dimostra che esiste una relazione tra il momento d’inerzia, il numero di Love e il momento di quadrupolo di queste due classi di stelle. Purtroppo per ora si tratta solo di una teoria: qualche prova indiretta potrà arrivare con le future ricerche, soprattutto nel campo della rilevazione delle onde gravitazionali grazie ai telescopi di nuova generazione. L’efficacia di questo studio è ben evidenziata dai due autori, Nicolas Yunes e Kent Yagi: la struttura interna di queste stelle non è qui rilevante in quanto la relazione instaurata tra i tre parametri conserva la sua validità anche se le stelle di neutroni e quark fossero più o meno dense del previsto. Il nesso I-Love-Q è universale e permette di descrivere la forma e il grado di deformazione di questi oggetti. Ma vediamo cosa significa I-Love-Q. 

indica il momento di inerzia, ed indica quanto velocemente una stella può ruotare (maggiore è I minore è la velocità di rotazione). Kent Yagi ricorre al noto esempio dei pattinatori sul ghiaccio. Quando avvicinano le braccia al corpo, il momento d’inerzia diminuisce e la loro velocità di rotazione aumenta. Love è il numero di Love che rivela la deformabilità della stella; infine è il momento di quardupolo che si origina dalla perdita della simmetria sferica della stella deformata e che determina l’intensità della radiazione gravitazionale emessa dalla stella rotante. Se per una stella di neutroni si riesce a misurare una di queste tre quantità, le altre due vengono ricavate immediatamente e senza coinvolgere la sua equazione di stato, a patto però che sia nota anche la massa del corpo celeste che si sta studiando.

I risultati ottenuti sono limitati a stelle di neutroni che ruotano non troppo velocemente, ovvero entro qualche centinaio di giri ogni secondo. Essi indicano che la correlazione tra I, numero di Love e Q trovata è universale, dunque non dipende dalla materia né dalle proprietà inerenti alla sua struttura. Un risultato importante visto che, per quanto ne sappiamo fino ad ora, è possibile solo formulare ipotesi sulle condizioni estreme di densità, pressione e temperatura che caratterizzano i mattoni che compongono le stelle di neutroni. Le equazioni di stato ci danno un buon modello teorico su cui lavorare, ma dipendono dalla massa.

La correlazione istituita dai due studiosi tra i tre parametri fa ben sperare. Le stelle di neutroni e di quark sono estremamente compatte. Contengono una quantità enorme di massa in un piccolo raggio. A causa di ciò, sono così dense che esercitano una forte attrazione gravitazionale: in virtù di queste caratteristiche gli scienziati prevedono che ci debba essere una significativa emissione di onde gravitazionali di origine cosmica che – se rilevate dagli interferometri terrestri come VIRGO, LIGO e quello spaziale LISA che potrebbero riuscire a misurare il valore del parametro Q in sistemi composti da due stelle di neutroni – potranno confermare i risultati presentati in questo studio.

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